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项目五认识LTE网络任务一认识LTE网络架构1LTE概述智能终端的出现与普及，为移动通信新业务发展提供了广阔市场，同时也对传统移动通信网络的业务承载能力提出了更高的要求,原CDMA制式的3G网络已不能满足日益增长的数据业务承载需求，迫切需要网络向大容量、高带宽演进（图5-1-1）。图5-1-1无线技术的演进LTE是LongTermEvolution（长期演进）的缩写，即我们所谓的“3.9G”，是由3GPP（The3rdGenerationPartnershipProject第三代合作伙伴计划）组织制定的通用移动通信系统技术标准的长期演进，是3G移动移动通信网络向4G演进的主流技术，2010年12月6日国际电信联盟把LTEAdvanced正式定义为4G。LTE系统引入了OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分复用）和MIMO（Multi-Input&Multi-Output，多输入多输出）等关键技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率，它支持1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz和20MHz等多种带宽分配，且能在全球主流2G/3G频段平滑演进，因而频谱分配更加灵活，系统容量和覆盖也显著提升。LTE系统网络架构更加扁平化简单化，减少了网络节点和系统复杂度，从而减小了系统时延，也降低了网络部署和维护成本。LTE系统支持与其他3GPP系统互操作。因此，与其他无线技术相比，LTE具有更高的传输性能，且同时适合高速和低速移动应用场景。LTE系统根据双工方式不同分为TDD-LTE(TimeDivisionDuplexing)和FDD-LTE（FrequencyDivisionDuplexing），二者技术的主要区别在于空口的物理层上。TDD系统上下行则使用相同的频段在不同的时隙上传输，具有有着较高的频谱利用率，FDD系统空口上下行采用成对的频段接收和发送数据，在频谱效率与VOIP容量方面稍有优势。本章内容主要介绍TDD-LTE系统。2LTE系统的设计目标与性能优势LTE作为3G向4G演进的无线通信技术，具有良好的向下兼容性、完善和严格的QoS机制和自组织网络，代表移动通信技术发展的方向。系统把降低时延、提高用户传输数据速率、提高系统容量和覆盖范围作为主要目标。主要体现在以下六个方面：（1）20MHz带宽条件下，峰值速率达到上行50Mbit/s)，下行100Mbit/s。（2）支持1.4、3、5、10、15和20MHz带宽，灵活使用已有或新增频段；并以尽可能相似的技术支持“成对”频段和非“成对”频段，便于系统灵活部署。（3）在有负荷的网络中，下行频谱效率达到3GPPR6HSDPA的2~4倍，上行频谱效率达到R6HSUPA的2~3倍。（4）在单用户、单业务流以及小IP包条件下，用户面单向延迟小于5ms。（5）从空闲状态到激活状态的转换时间小于100ms，从休眠状态到激活状态的转换时间小于50ms。（6）支持低速移动和高速移动。低速(0~15km/h)下性能较好，高速(15~120km/h)下性能最优，较高速(350~500km/h)下的用户能够保持连接性。过去几年，LTE网络建设迅速展开，截止2014年底，全球已有360张商用LTE网络，分布在124个国家和地区。我国三大运营商也在全国范围内部署了LTE网络。3.LTE系统网络架构LTE采用扁平化、IP化的网络架构，E-UTRAN用E-NodeB替代原有的RNC-NodeB结构，各网络节点之间的接口使用IP传输，通过IMS承载综合业务，原UTRAN的CS域业务均可由LTE网络的PS域承载（图5-1-2）。演进后的系统仅存在分组交换域。图5-1-2LTE网络架构与3G网络架构相比，接入网仅包括eNodeB一种逻辑节点，网络架构中节点数量减少，网络架构更加趋于扁平化。扁平化网络架构降低了呼叫建立时延以及用户数据的传输时延，也会降低OPEX与CAPEX。演进后的接入网E-UTRAN和演进后的核心网EPC在LTE网络架构中承担着彼此独立的功能，E-UTRAN由唯一的eNodeB功能实体组成，而EPC分别由MME和S-GW两个功能实体组成。如图5-1-3。interneteNBRBControlConnectionMobilityCont.eNBMeasurementConfiguration&ProvisionDynamicResourceAllocation(Scheduler)PDCPPHYMMES-GWS1MACInterCellRRMRadioAdmissionControlRLCE-UTRANEPCRRCMobilityAnchoringEPSBearerControlIdleStateMobilityHandlingNASSecurityP-GWUEIPaddressallocationPacketFiltering图5-1-3LTE系统逻辑功能结构eNodeB（evolvedNodeB），演进型基站，LTE接入网仅由eNodeB，提供到UE的E-UTRA控制面与用户面的协议终止点。eNodeB之间通过X2接口进行连接，并且在需要通信的两个不同eNodeB之间总是会存在X2接口。LTE接入网与核心网之间通过S1接口进行连接。eNodeB具有如下功能：（1）无线资源管理功能，包括无线承载控制、无线接入控制、连接移动性控制、UE的上下行动态资源分配（调度）；（2）IP头压缩及用户数据流加密；（3）UE附着时的MME选择；（4）路由用户平面数据至S-GW；（5）广播消息的组织和发送（由MME或O&M产生）；（6）寻呼消息的组织和发送（由MME产生）；（7）以移动性或调度为目的的测量及测量报告配置。MME（MobilityManagementEntity）,移动管理实体，是3GPP协议LTE接入网络的关键控制节点，它负责空闲模式的UE(UserEquipment)的定位，传呼过程，包括中继，即MME负责信令处理部分（控制面）。MME的主要功能包括：（1）非接入层（NAS，Non-AccessStratum）信令的处理，包括安全和许可控制；（2）分发寻呼消息至eNodeB；（3）移动性管理涉及核心网节点之间的信令控制；（4）空闲状态移动性控制；（5）SAE承载控制；（6）非接入层NAS信令的加密与完整性保护；（7）PDNGW与S-GW选择，向2G/3G切换时的SGSN选择；（8）跟踪区列表管理；（9）漫游、鉴权。S-GW(ServingGateway),服务网关，是EPC网络的用户面接入服务网关，相当于传统SGSN的用户面功能。在传统网络中，SGSN网元既负责移动性管理、用户接入控制等信令面相关的功能，也负责用户数据的转发。基于控制与承载分离的思想，在EPC网络中对SGSN的功能进行了拆分，即信令面功能由MME网元负责，而用户数据转发的用户面功能由SGW网元接管。S-GW的主要功能包括：（1）终止因为寻呼产生的用户平面数据；（2）支持UE移动性的用户平面切换；（3）分组数据的路由与转发；（4）传输层分组数据的标记；（5）运营商计费的数据统计,用户计费；（6）合法监听。任务二认识LTE网路的接口协议1无线接口协议无线接口是指UE和接入网之间的接口，简称Uu接口，通常我们也称为空中接口。无线接口协议主要是用来建立、重配置和释放各种无线承载业务的。LTE技术中，无线接口是终端和eNB之间的接口。无线接口是一个完全开放的接口，只要遵守接口的规范，不同制造商生产的设备就能够互相通信。无线接口协议栈主要分三层两面，三层主要包括了物理层、数据链路层和网络层，两面是指控制平面和用户平面。数据链路层主要被分为3个子层，包括媒体接入控制（MAC）、无线链路控制（RLC）、和分组数据汇聚协议（PDCP）3个子层。数据链路层同事位于控制平面和用户平面：在控制平面负责无线承载信令的传输、加密和完整性保护；在用户平面主要负责用户业务数据的传输和加密。网络层是指无线资源控制（RRC）层，位于接入网的控制平面，负责完成接入网和终端之间交互的所有信令处理。图5-2-1控制平面无线接口协议栈无线接口控制平面协议栈如图5-2-1，主要负责对无线接口的管理和控制，包括RRC协议、MAC/RLC/PDCP协议和管理层的协议。将非接入层（NAS）协议显示在这里，只是为了说明它是UE-EPC通信的一部分。NAS控制协议实体位于终端UE和移动管理实体MME内，主要负责提供对非接入层部分的控制和管理，主要功能包括演进数据包传输系统（EPS）承载管理，鉴权，EPS连接管理模式的空闲状态下的移动性管理，负责产生ECM-IDLE状态UE的寻呼消息，安全控制等功能。RRC协议实体位于UE和ENB网络实体内，主要负责对接入层的控制和管理，主要功能包括广播、寻呼、RRC连接管理、无线承载控制、移动性管理以及UE测量报告和测量上报控制功能。数据链路层的PDCP子层主要负责控制平面RRC协议数据的加解密和完整性保护功能。数据链路层和物理层提供对RRC协议消息的数据传输功能。NAS消息可以串接在RRC消息内，也可以单独在RRC消息中携带。在切换等情况下NAS消息的丢失和重复有可能会发生，AS将提供对NAS信令在小区内的有序传输功能。图5-2-2用户平面无线接口协议栈用户平面无线接口协议栈如图5-2-2所示，主要为数据链路层协议（MAC、RLC、PDCP）和物理层协议。物理层为数据链路层提供数据传输功能。物理层通过传输信道为MAC子层提供相应的服务。MAC子层通过逻辑信道向RLC子层提供相应的服务。LTE/SAE总体的协议结构如图5-2-3所示。图5-2-3LTE/SAE总体的协议结构。2S1接口与X2接口协议与2G/3G系统相比，S1接口和X2接口是两个新增的接口。S1接口是eNB和MME之间的接口，包括控制面和用户面。X2接口是eNB间相互通信的接口，也包括控制面和用户面两部分。S1接口S1接口控制平面位于eNodeB和MME之间，传输网络层是利用IP传输，这点类似于用户平面；为了可靠的传输信令消息，在IP层之上添加了SCTP；应用层的信令协议为S1-AP，S1接口控制平面协议栈如图5-2-4所示。用户平面接口位于eNodeB和S-GW之间，S1接口用户平面（S1-UP）的协议栈结构如图5-2-5所示。S1-UP的传输网络层基于IP传输，UDP/IP之上的GTP-U用来传输S-GW与eNodeB之间的用户平面PDU。图5-2-4S1接口控制平面协议栈结构图5-2-5S1接口用户平面协议栈结构S1接口控制平面有如下功能：（1）演进的业务承载业务管理功能（包括建立、修改和释放）；（2）系统连接状态下UE的移动性管理功能；（3）S1接口管理功能（包括复位、错误指示以及过载指示等）；（4）S1接口的寻呼；（5）S1接口UE上下文释放功能；（6）NAS信令传输功能；（7）NAS节点选择功能；（8）网络共享功能；（9）漫游与区域限制支持功能；（10）初始上下文建立过程。S1接口用户平面无线网络层协议具有如下功能：（1）在S1接口目标节点中指示数据分组所属的SAE接入承载；（2）移动性过程中尽量减少数据的丢失；（3）错误处理机制；（4）MBMS支持功能；（5）分组丢失检测机制。X2接口X2接口是eNodeB之间的接口，为开放接口，支持两个eNodeB之间的信令交互和PDU前转。eNodeB之间通过X2接口互相连接，形成了网状网络。X2接口支持数据和信令的直接传输，主要用于支持激活模式的手机移动，转发分组数据，也可以用于多小区的无线资源管理功能。X2接口分为控制面接口（X2-C）和用户面接口（X2-U），其协议栈结构如图5-2-6和图5-2-7。图5-2-6X2-C(控制平面)协议栈结构图5-2-7X2-U(用户平面)协议栈结构X2接口主要有以下功能：（1）对ECM-Connected状态下的UE提供LTE接入系统内的移动性支持（从源eNodeB传送UE上下文至目标eNodeB、控制源eNo